DE10031570A1

DE10031570A1 - Leckage reduzierter Hochdruckinjektor

Info

Publication number: DE10031570A1
Application number: DE10031570A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: GB2367329B; FR2811026A1; GB0115916D0; US20020060253A1; GB2367329A; US6520157B2; DE10031570C2; JP2002021671A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor für ein Einspritzsystem zum Einspritzen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in die Verbrennungsräume von Verbrennungskraftmaschinen. Ein Zulauf (9) vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) mündet in einen Steuerraum (11), der durch einen freigebbaren Dichtsitz (12, 25) mit dem Düsenzulauf (10) der Einspritzdüse verbindbar ist. Zum Verschließen des Leckölablaufs (16) beim Öffnen der Zuleitung (9) vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) überdeckt eine Dichtfläche (13, 24) ablaufseitige Steuerkanten (32) am Ventilgehäuse (2).

Description

Technisches Gebiet

Bei Einspritzsystemen, die mit einem Hochdrucksammelraum in Verbindung stehen, werden druckgesteuerte Injektoren eingesetzt, deren Steuerteile elektromagnetisch betätigbar sind. Kommt es bei solchen Einspritzsystemen für unter extrem hohem Druck stehenden Kraftstoff zu einer Überschneidung von geöffnetem Hochdruckbereich mit ablaufseitiger Leckölbohrung, ist eine erhebliche Wirkungsgradeinbuße an solcherart beschaffenen Einspritzsystemen die Folge. Daher sind Kurzschlüsse zwischen geöffneten hochdruckseitigem Zulauf vom Hochdrucksammelraum und ablaufseitigen Leckölbohrungen unbedingt zu vermeiden.

Stand der Technik

DE 198 35 494 A1 bezieht sich auf eine Pumpe-Düse-Einheit. Diese dient zur Zufuhr von Kraftstoff in den Verbrennungsraum von direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen mit einer Pumpeinheit zum Aufbau eines Einspritzdruckes und zum Einspritzen des Kraftstoffes über eine Einspritzdüse in den Verbrennungsraum. Die Steuereinheit enthält ein Steuerteil, welches als nach außen öffnendes Ventil ausgebildet ist. Ferner ist eine Ventilbetätigungseinheit vorgesehen, zur Steuerung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit.

Um eine Pumpen-Düsen-Einheit mit einer Steuereinheit zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und geringere äußere Abmessungen aufweist, ist die Ventilbetätigungseinheit als Piezo-Aktor ausgebildet. Dies ermöglicht insbesondere kürzeste Ansprechzeiten.

Auftretende Leckageverluste bei Einspritzsystemen verringern die erzielbaren Einspritzdrücke signifikant und verschlechtern damit den Wirkungsgrad solcher Systeme erheblich.

Darstellung der Erfindung

Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu erblicken, daß sich nunmehr eine Leckage von unter Hochdruck stehenden Kraftstoff durch dessen Abströmung in ablaufseitige Abströmbohrungen im Injektorkörper während der Öffnungsphase des Sitzventiles wirksam vermeiden läßt. Dadurch läßt sich der Wirkungsgrad eines Einspritzsystems, welches mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Injektor versehen ist, signifikant erhöhen. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kommt es zwar zu einer Hochdrucksammelraum (Common Rail) und geöffenten Leckölablauf, jedoch wird durch das Vorsehen geeigneter Dichtflächen ein direktes Abströmen des unter hohem Druck stehenden in den Ventilsteuerraum eintretenden Kraftstoffes in die ablaufseitigen Abströmbohrungen vermieden.

Gemäß einer Ausführungsform des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens, läßt sich der Gesamthubweg des Steuerteiles verlängern und dem hochdruckseitigem Sitzventil ein Schieber mit kurzer Hublänge vorschalten. Um diese kurze Hublänge ist der Gesamthub des Steuerteiles verlängert. Im geschlossenen Zustand des Sitzventils ist durch eine längere Hublänge gewährleistet, daß an der Sitzfläche des Ventils eine Überdeckung herrscht. Durch die erwähnte kurze Hublänge ist die Hublänge des Sitzventiles h_ges größer, so daß bei dessen Öffnung kein Bypass vom Hochdruckzulauf zu ablaufseitigen Leckölbohrungen auftritt. Durch die Steuerkanten an Dichtfläche und Ventilgehäuse ist gewährleistet, daß stets eine Abdichtung zu ablaufseitigen Leckölbohrungen gegeben ist, sobald der Zulauf die Zulaufleitungen vom Hochdrucksammelraum öffnet.

Bei einer alternativen Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens läßt sich ein Zusatzkolben beweglich auf dem Steuerteil anordnen. Der Zusatzkolben führt bei Betätigung des Steuerteils eine entgegen dessen Betätigungsrichtung gerichtete Bewegung aus, die durch den in den Ventilraum eintretenden Kraftstoff, der unter höchstem Druck steht, so daß eine Steuerkante des Zusatzkolbens eine Steuerkante am Ventilgehäuse abströmseitig verschließt.

Durch geringfügige, fertigungstechnisch wenig aufwendig durchzuführende Änderungen am Elektromagnet- oder Piezoaktor-betätigten Steuerteil, läßt sich eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades eines Einspritzsystemes erzielen, insbesondere eine wesentlich genauere Dosierung der während der Voreinspritzphase in dem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine jeweils einzuspritzenden Kraftstoffmenge.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1A eine Darstellung des Injektors mit eingetragenen Überdeckungslängen der Einzelkomponenten,

Fig. 1B die Wiedergabe des Injektors mit dem sich in vertikaler Richtung einstellenden Gesamthubweg,

Fig. 2 einen Hochdruckinjektor mit am Steuerteil aufgenommenen, Druckfeder beaufschlagten Zusatzkolben mit Überströmnut.

Ausführungsvarianten

Fig. 1A zeigt das Steuerteil 3 des Injektors 1 mit eingetragener Überdeckungslänge 18 zwischen Ventilraum 11 und Düsenzulauf 10, Fig. 1B zeigt den Injektor 1 gemäß Fig. 1A im aufgefahrenen Zustand, bei dem das Steuerteil 3 um den Hubweg 15 nach oben gefahren ist.

Das Steuerteil 3 des Injektors 1 für ein unter extrem hohem Druck stehenden Kraftstoff einspritzendes System ist in ein Ventilgehäuse 2 aufgenommen. Im oberen Teil des Injektors 1 ist ein ablaufseitig vorgesehenes Steuerventil, hier in Form einer schließenden Kugel, aufgenommen. Oberhalb der als ablaufseitiges Steuerventil 4 fungierenden Kugel ist ein hier nicht näher dargestellter Elektromagnet bzw. ein Piezo-Aktor aufgenommen. Durch dessen Betätigung kann die als ablaufseitiges Steuerventil 4 dienende Kugel druckentlastet werden, wodurch das ablaufseitige Steuerventil an seinem Dichtsitz 5 öffnet. Das Kugelelement bewegt sich nach oben in Richtung des mit Bezugszeichen 6 bezeichneten Doppelpfeiles und gibt eine ablaufseitig vorgesehene Ablaufdrossel 7 frei. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum, der oberhalb der Stirnfläche des Steuerteiles 3 endet. Durch die am unteren Ende des Steuerteiles 3 angeordnete Druckfeder 17 bewegt sich das Steuerteil 3 in toto nach oben.

Im Steuerteil 3 des Injektors 1 gemäß Fig. 1 ist eine das Steuerteil 3 in Querrichtung durchsetzende Zulaufdrossel 8 ausgebildet. Diese kann beispielsweise als einfache Durchgangsbohrung im mittleren Teil des Steuerteiles 3 ausgebildet sein. Im Bereich der Zulaufdrossel 8 ist das Steuerteil von einem es ringförmig umgebenden Steuerraum 11 umschlossen. In den Steuerraum 11, der im Ventilgehäuse 2 ausgebildet ist und gerundete, die Strömung begünstigende Kanten aufweist, mündet die zulaufseitige Bohrung, identifiziert mit Bezugszeichen 9, durch die unter hohem Druck stehenden Kraftstoff vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) in den Steuerraum 11 des Injektors 1 gelangt.

Das Steuerteil 3 des Injektors verschließt an seinem Sitz 12 den Zulauf 10 zur Einspritzdüse. Unterhalb der ringförmigen Druckkammer, in welche die Zulaufleitung 10 zur Einspritzdüse mündet, ist eine Dichtfläche 13 am Steuerteil 3 des Injektors 1 ausgebildet, die einen mit der Bohrung im Ventilgehäuse 2 identischen Außendurchmesser aufweist. Unterhalb der Mündung der Zulaufbohrung 10 zur Einspritzdüse befindet sich ein Steuerraum 19, an dem eine Steuerkante 32 ausgebildet ist. In der in Fig. 1 dargestellten Vertikalposition des Steuerteiles 3 in Bezug auf das Ventilgehäuse 2 ist die Steuerkante 32 im Ventilgehäuse 2 durch die Dichtfläche 13, d. h. deren kurze Länge 14 (h₁) gerade verschlossen. Im unteren Bereich des im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Steuerteiles 2 sind zwei einander gegenüberliegende Flächen 21 ausgebildet, über welche aus dem Steuerraum 19 austretendes Lecköl in den an der unteren Stirnfläche des Steuerteiles 3 befindlichen Hohlraum 22 abströmen kann. In diesem Hohlraum 22 ist ein Druckfederelement 17 aufgenommen, welches bei Druckentlastung des Steuerraumes im oberen Bereich des Injektors eine Verfahrbewegung des Steuerteiles 3 in vertikale Richtung bewirkt. Das Federelement 17 stützt sich am Boden des Ventilgehäuses 2 des Injektors 1 ab und liegt mit seiner oberen Windung an einer Stirnfläche des Steuerteiles 3 an. In den Hohlraum 22 an der Unterseite des Steuerteiles 3 mündet ferner ein Leckölablauf 16.

Wird der Steuerraum oberhalb der oberen Stirnfläche des Steuerteiles 3 druckentlastet, was durch ein Öffnen des Ventilsitzes 5 durch Druckentlastung des kugelförmigen ablaufseitigen Steuerteiles 4 erfolgt, bewegt sich, bewirkt durch die an der Stirnfläche 20 des Steuerteiles 3 anlegende Druckfeder 17 das Steuerteil nach oben. Dabei fährt die das Steuerteil 3 durchsetzende Zulaufdrossel 8 in das Ventilgehäuse 2 ein und wird somit verschlossen. Gleichzeitig steht der über den Hochdrucksammelraum unter hohem Druck stehende Kraftstoff über die Zulaufleitung 9 im Steuerraum 11 an. Durch die Vertikalbewegung des Steuerteiles 3 nach oben ist dieses über die Gesamthublänge 15 h_ges nach oben ausgefahren und gibt somit über den am Steuerteil 3 ausgebildeten Ringraum eine direkte Verbindung zwischen der Zulaufleitung 9 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) zur Zulaufleitung 10 zur Einspritzdüse frei. Gleichzeitig mit der Vertikalbewegung des Steuerteiles 3 hat dessen Dichtfläche 13, in einer Länge 14 h₁ ausgebildet die Ventilgehäuse seitige Steuerkante 32 gerade überdeckt, so daß der Steuerraum 19 gegen den unter hohem Druck in die Zulaufleitung 10 zur Einspritzdüse anstehenden Kraftstoff abgedichtet ist. Sich einstellende vom Steuerraum 19 in den Hohlraum 22 über die Flächen 21 abströmende Leckageölmengen fließen über den Hohlraum 22 in einen Leckölablauf 16 ab.

In einer zweiten Ausführungsvariante des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens ist auf dem Steuerteil 3 ein relativ bewegbarer Zusatzkolben 24 aufgenommen. Das Steuerteil 3 hat eine im wesentlichen der Konfiguration des Steuerteiles 3 gemäß Fig. 1 entsprechende Geometrie und ist in seinem oberen Teil von einer schräg den Steuerteilkörper 3 durchsetzenden Zulaufdrossel 8 durchsetzt. Oberhalb der Zulaufdrossel 8 befindet sich ein Steuerraum, der im Ventilgehäuse 2 ausgebildet ist. An den Steuerraum schließt sich eine Ablaufdrossel 7 an, die mittels eines ablaufseitigen Steuerteiles 4 freigebbar bzw. verschließbar ist. Dazu ist oberhalb des ablaufseitigen Steuerteiles 4 ein Elektromagnet oder ein Piezo-Aktor oder auch eine andere Betätigungseinheit vorgesehen, welche eine Betätigung des ablaufseitigen Steuerteiles 4 in vertikale Richtung 6 auf den Ventilsitz 5 zu- oder von diesem wegbewegt.

Unterhalb der schräg im Steuerteilkörper 3 verlaufenden Zulaufdrossel 8 ist am Steuerteil 3 eine Einschnürung ausgebildet, welche den Dichtsitz 25 bildet.

Unterhalb der Einschnürstelle am Steuerteil 3 ist auf dessen Umfang der Zusatzkolben 24 in axiale Richtung bewegbar aufgenommen, der durch ein Druckfederelement 17 abgestützt ist, welches sich seinerseits am Boden des Ventilgehäuses 2 abstützt. Am Steuerteil 3 sind analog zur Ausgestaltung des Steuerteiles 3 gemäß Fig. 1 Flächen 21 ausgebildet, über welche in den die Druckfeder 17 aufnehmenden Hohlraum eingedrungenes Lecköl in den Hohlraum 22 ablaufseitig abfließen kann.

Der Zusatzkolben 24 ist mittels einer Innenführung 17 beweglich auf dem Steuerteil 3 gelagert und weist in seinem oberen Bereich eine sich in axiale Richtung des Steuerteiles 3 und des Zusatzkolbens 24 erstreckende Nut 26 auf.

Eine Betätigung des ablaufseitigen Steuerteiles 4 und ein damit verbundener Druckabnahme im Steuerraum des Ventilgehäuses 2, in welche die obere Stirnfläche des Steuerteiles 3 hineinragt, bewirkt eine Vertikalbewegung, aus gelöst durch die Druckfeder 17, des Steuerteiles 3 in Richtung auf die Ablaufdrossel 7 zu. Dadurch wird der Dichtsitz 25 zwischen Steuerteil 3 und Ventilgehäuse 2 geöffnet und unter extrem hohem Druck stehender Kraftstoff kann über die Zulaufleitung 9 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) in die Steuerkammer 11 eintreten. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff bewirkt eine der vertikal nach oben gerichteten Bewegungen des Steuerteiles 3 entgegengesetzte in Kraftrichtung des Zusatzkolbens 24 nach unten entgegen des diesen vorspannenden Federelementes 17. Diese nach unten gerichtete Vertikalbewegung bewirkt ein Verfahren des Zusatzkolbens 24 über einen Verfahrweg 31. Dadurch wird einerseits der Zulauf vom Hochdrucksammelraum 9 über den Steuerraum 11 den geöffneten Dichtsitz 25 und die Druckkammer 28 mit dem Düsenzulauf 10 verbunden und andererseits durch die abwärts gerichtete Vertikalbewegung über die axiale Länge 31 mit dem unteren Bereich des Zusatzkolbens 24 die Leckölsteuerkante 32, ausgebildet am Ventilgehäuse 2, verschlossen. Die Dimensionierung der Verfahrwege 31 bzw. 30 ist so bemessen, daß bei Freigabe des Düsenzulaufes 10 sichergestellt ist, daß der Zusatzkolben 24 mit seinem unteren ringförmigen Bereich unter Zusammendrückung des Federelementes 17 im Injektor im Ventilgehäuse 2 die leckölseitige Steuerkante 32 im Ventilgehäuse 2 wirksam überdeckt hat. Es ist anzustreben, daß der vertikale Hubweg 31 durch geeignete Dimensionierung des Zusatzkolbens 24 größer ist als der zum Verschließen der Steuerkante 32 am Ventilgehäuse 2 notwendige Hubweg 30.

Im umgekehrten Falle, beim Schließen der Dichtfläche 25 zwischen Steuerteil 3 des Injektors und Ventilgehäuse 2 des Injektors 1 erfolgt ein Druckaufbau im Steuerraum an der oberen Stirnfläche des Steuerteiles 3, wodurch der im Druchmesser d₁ ausgeführte obere Bereich des Steuerteiles 3 in seine dichtende Position 25 fährt. Durch das Federelement 17 ist der Zusatzkolben 24 auf dem Steuerteil 3 beaufschlagt und fährt in Richtung auf die Dichtfläche 25 zu. Zum Abbau des Druckes an der Einschnürstelle des Steuerteiles 3 und des Ventilgehäuses 2 ist im oberen Bereich des Zusatzkolbens 24 eine das Schließen des Zusatzkolbens 24 ermöglichendes Längsnut 26 ausgebildet, über welche der Druck bei Schließen des Steuerteiles in Richtung auf seinen Dichtsitz 25 in die Druckkammer 28 abgebaut wird. Durch die im oberen Führungsbereich des Zusatzkolbens 24 ausgebildete Entlastungsnut 26 kann ein schnelleres Schließen, bedingt durch die Druckfeder 17 erreicht werden. Sich in der Druckkammer 28 einstellende Leckage kann über die am Steuerteil 3 ausgebildeten Flächen 21 in einem unterhalb der unteren Stirnfläche des Steuerteiles 3 vorgesehenen Hohlraum 22 abströmen.

Zur Betätigung der Ausführungsvarianten gemäß Fig. 1 und Fig. 2 können Elektromagneten, Piezo-Aktoren oder auch mechanisch/hydraulische Druckübersetzer eingesetzt werden, welche eine Vertikalbewegung in Richtung des Fig. 1 und Fig. 2 jeweils eingezeichneten Doppelpfeiles bewirken, wodurch sich das Steuerteil 3 des Injektor 1 im Ventilgehäuse 2 entweder in seine öffnende oder in seine jeweils den Dichtsitz verschließende Position bewegen läßt. Die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dichtflächenanordnung erzielbare Trennung einer direkten Verbindung zwischen Hochdruckzulauf 9 und ablaufseitigen Abströmbohrungen erlaubt eine signifikante Erhöhung des Wirkungsgrades einer solche Art beschaffenen Injektors.

Bezugszeichenliste

1

Injektor

2

Ventilgehäuse

3

Steuerteil

4

ablaufseitiges Steuerteil

5

Ventilsitz

6

Hubbewegung

7

Ablaufdrossel

8

Zulaufdrossel

9

Zulauf vom Hochdrucksammelraum (Common Rail)

10

Düsenzulauf

11

Steuerraum

12

Sitzventil

13

Dichtfläche

14

Schieberlänge h₁

15

Gesamthub h_ges

16

Lecköl-Ablauf

17

Federelement

18

Überdeckungslänge h₂

19

Ventilraum

20

Stirnfläche

21

Ablauffläche

22

Hohlraum

23

oberer Durchmesser

24

Zusatzkolben

25

Dichtsitz

26

Entlastungsnut

27

Innenführung

28

Druckkammer

29

oberer Führungsteil

30

Hubweg unterer Führungsteil

31

Hubweg oberer Führungsteil

32

Leckölsteuerkante

Claims

1. Injektor für ein Einspritzsystem zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in den Verbrennungsraum von Verbrennungskraftmaschinen, bei denen eine Zuleitung (9) vom Hochdrucksammelraum in eine Steuerraum (11) mündet, der durch einen freiggebbaren und verschließbaren Dichtsitz (12, 25) mit einem Düsenzulauf (10) zur Einspritzdüse verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschließen von Leckölabläufen (16) beim Öffnen der Zuleitung (9) vom Hochdrucksammelraum Dichtflächen (13, 24) ablaufseitige Steuerkanten (32) am Ventilgehäuse (2) überdecken.

2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (24) als ein das Steuerteil (3) umgebender Zusatzkolben ausgebildet ist.

3. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkolben (24) federbeaufschlagt relativ auf dem Steuerteil (3) verschiebbar ist.

4. Injektor gemäß Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei geöffneten Dichtsitz (12; 25) des Steuerteiles (3) der Zusatzkolben (24) mit seinem unteren Führungsbereich eine Steuerkante (32) am Ventilgehäuse (2) mit einer Überdeckungslänge h₂ überdeckt.

5. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Füh rungsbereich (29) des Zusatzkolbens (24) ein die Schließbewegung der Druckfeder (17) unterstützende Entlastungsnut (26) vorgesehen ist.

6. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkolben (24) auf dem Steuerteil (3) eine entgegen der Öffnungsbewegung des Steuerteiles (3) gerichtete, die Zulaufbohrung (10) zur Einspritzdüse freigebende Hubbewegung (31) ausführt.

7. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (13) am Steuerteil (3) ein die Steuerkante (32) in Öffnungsposition des Steuerteils (3) überdeckende Erstreckung h₁ aufweist.

8. Injektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamthub weg h_ges des Steuerteiles (3) so bemessen ist, daß bei Verbindung (15) der Zulaufleitung (9) vom Hochdrucksammelraum mit Zulaufbohrung (10) der Einspritzdüse eine das Steuerteil (3) ablaufseitig durchsetzende Zulaufdrossel (8) verschlossen ist.

9. Injektor gemäß Anspruch (7), dadurch gekennzeichnet, daß bei Betätigung des Steuerteiles (3) in Hubrichtung (6) bei Entlastung eines Steuerraumes durch Überdeckung der Steuerkante (32) am Ventilgehäuse (2) die Dichtfläche (13) einen ablaufseitig vorgesehenen Ventilraum (19) im Ventilgehäuse (2) abdichtet.